DNA甲基化在COPD发病机制中的研究进展

邸婷婷

综述，卞 涛审校

0 引 言

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一种常见病、多发病，是全球导致发病率和死亡率的原因之一,随着全球人口老龄化和危险因素的持续暴露预计将进一步增加COPD的发病率,加重社会经济负担，且严重影响人类健康[1]。COPD发病机制目前尚不明确，可能与肺部对香烟烟雾等有害气体或颗粒的异常炎症反应有关。近年研究发现与蛋白酶-抗蛋白酶失衡、氧化应激、炎症反应、表观遗传、细胞凋亡等相关。DNA甲基化是一种可逆地表观遗传学修饰，广泛参与COPD的发生发展。越来越多的研究表明异常的DNA甲基化存在于COPD患者的痰液、外周血、肺泡巨噬细胞、气道上皮细胞以及肺组织中。鉴于DNA甲基化是一个可逆地表观遗传学修饰，通过研究DNA甲基化在COPD发病机制中的作用，对探索表观遗传学为基础的COPD的疗法提供理论依据。

1 DNA甲基化概述

所谓的表观遗传学即在基因核苷酸序列不改变的情况下，基因表达的可遗传性变化；DNA的表观遗传学修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码的RNA。其中DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)作用下，将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到胞嘧啶5’碳原子上，形成5甲基胞嘧啶[2]。DNA甲基化状态与DNA片段的活性有关但并不影响DNA序列。一般而言，基因启动子区CpG岛的高甲基化通常导致基因沉默，而低甲基化触发转录激活，从而影响上下游靶基因的转录[3]。同卵双胞胎拥有相同的DNA序列，但研究表明外界环境因素可改变基因启动子区CpG岛甲基化程度，如香烟烟雾暴露、饮食、衰老、等，可导致一系列疾病的发生，如COPD[4]。以往认为遗传因素和环境因素在COPD发病过程中是相互独立的危险因素，但表观遗传学的出现，把遗传和环境这两个独立因素有机结合在一起。

2 COPD中DNA甲基化异常表达和调节

呼吸系统组织长期暴露于多种污染环境，如空气污染、生物燃料烟雾、烹饪油烟以及有害职业等，大小气道和肺组织的表观基因组倾向于动态改变，从而影响基因表达。尤其是吸烟，可刺激呼吸道产生炎症反应，增加肺组织中活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，改变细胞的氧化还原状态从而导致不稳定的基因发生甲基化修饰，促进COPD发生发展和疾病过程[5]。回顾COPD中异常甲基化表达研究进展，取材包括了外周血细胞、大小气道上皮细胞、肺组织、痰液以及肺泡巨噬细胞。不同取材标本获得的实验结果并不完全一致，即DNA甲基化状态是具有组织特异性的。下面分述各种取材样本中DNA甲基化研究进展。

2.1小气道上皮细胞中异常的DNA甲基化COPD气流阻塞的主要位置是小气道，在COPD患者小气道上皮细胞的全基因组分析表明，异常DNA甲基化和基因表达主要通过三条信号通路与COPD发生发展相关：磷酸酶张力蛋白信号通路(phosphatase tensin signaling pathway，PTEN)、核转录因子E-2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)介导的氧化应激反应通路、IL-17因子炎症反应通路[6]。其中Nrf2介导的氧化应激反应通路在COPD发病机制中尤为重要。机体在应对ROS损害时形成了一套复杂的氧化应激应答系统，当暴露于ROS时，机体自身能诱导出一系列保护性蛋白，以缓解细胞所受的损害[7]。这一协调反应是由这些保护性基因上游调节区的抗氧化反应元件(antioxidant responsive elements，ARE)来调控的，而Nrf2是ARE的激活因子，通过与ARE相互作用调节编码抗氧化蛋白[8-9]。生理状态下，Nrf2在细胞质中与它的抑制蛋白Keap1结合，促进Nrf2泛素化继而被蛋白酶体降解。一旦受到亲电试剂或ROS的刺激时，Keap1与Nrf2解偶联使得Nrf2转移入核，与基因中的Maf蛋白结合成异二聚体后识别并结合ARE，启动下游保护性蛋白基因的转录，提高细胞抗氧化应激能力[10-13]。与肺功能正常的个体相比，Nrf2氧化应激通路中DNA甲基化水平和基因表达在多个上游和下游靶基因中均有差异。其中PKC、MEK2、ACTA1/ACTB、MAFG、HIP2、GSTM1/GSTP1/GSTT1、AOX1、MRP4基因仅仅是高甲基化的，而PTEN、Nrf2、JUND、HSP6、EPHX1、FTH1基因是高甲基化且低表达的[6]。高甲基化导致的基因表达减少使得Nrf2介导的细胞保护作用减弱，造成细胞损害，介导了COPD的病理生理过程。

此外，COPD患者较正常的个体更易合并发生肺癌[14-15]。研究表明Nrf2的表达上调与肿瘤自我保护和耐药性密切相关，Keap1或Nrf2在肺癌中的异常状态常导致疾病预后不良，因为Nrf2既可作为肿瘤抑制因子来阻止细胞癌变，也可促进肿瘤的发生发展和对化疗药的耐药性，这取决于肿瘤发展的不同阶段[16]。因此阐明这一信号通路在氧化应激和肿瘤的形成中所起的作用，可能对合理应用抗氧化剂疗法治疗慢性阻塞性肺病患者至关重要。

2.2肺组织中异常的DNA甲基化Sundar等[17]在肺组织中的研究表明，NOS1AP、BID基因的CpG位点在吸烟者和COPD患者中异常甲基化，这些基因是COPD发病机制中氧化-抗氧化失衡、细胞凋亡的一部分。DNA甲基化状态可能影响吸烟者和COPD患者肺组织中NOS1AP、BID基因的表达，扰乱细胞的衰老、自我吞噬、凋亡。NOS1AP是一种细胞保护性蛋白，与神经元型一氧化氮合成酶结合，缓解血液流动的冲击，保护动脉壁并减少炎症[18]。COPD患者并发缺血性心脏病和肺癌的风险性是无COPD临床表现的单纯吸烟者的三倍。这可能与NOS1AP基因在肺组织中高甲基化以及异常表达相关[19-20]。

BID蛋白是细胞死亡调控因子BCL-2家族中的一员。有丝分裂是细胞的脆弱时刻，未能成功完成的有丝分裂通常导致非整倍体和癌症的发生，因此机体通过诱导细胞凋亡来清除异常细胞[21]，BID作用在线粒体有丝分裂间期[22]，并参与一种活性氧依赖、局部线粒体间电位机制，通过蛋白的磷酸化，放大凋亡信号[23]。在吸烟者和COPD患者中，BID启动子CpG位点显著高甲基化，BID表达减少，这表明BID可能通过细胞凋亡参与到COPD的发生发展中[24-25]。

Yoo等[26]研究表明，EPAS1在COPD患者的肺组织中高度甲基化，基因表达相对减少，EPAS1蛋白水平也相对减低。在慢性暴露于香烟烟雾的老鼠肺组织中，EPAS1基因表达也是减少的。EPAS1也被称为低氧诱导因子2α(HIF-2α)，是一个低氧反应转录因子[27]。在充足的氧气供应下，HIF基因退化，而在缺氧情况下，HIF基因直接连接到DNA上增加靶基因的转录[28]。低氧加重COPD疾病的严重程度，由肺泡低氧所致的肺血管收缩，也进一步加重肺动脉高压。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是EPAS1的下游靶基因之一，VEGF参与到支气管微血管改变和炎症性的气道改变中。在肺气肿患者中，低水平的VEGF加重肺泡的损害[29]。另一个相关现象，新生的小鼠缺乏完整的EPAS1基因的表达，肺表面活性物质D的缺乏，导致肺功能异常并死于呼吸衰竭[30]。总而言之，EPAS1的异常甲基化在COPD疾病的发生发展中起重要作用。

2.3痰液中异常的DNA甲基化在吸烟者的痰液中，Sond等[31]研究发现，p16、GATA4基因启动子区的异常甲基化与无此表观遗传变化的吸烟者相比，肺功能显著下降和木材烟雾暴露的相关性更强。气道中的GATA4基因甲基化状态可用来预测COPD患者健康状态[32]。此外，在吸烟者的痰液中，观察到肺癌相关基因SULF2启动子区的高甲基化，与持续性的粘液高分泌相关[33]。

2.4外周血中异常的DNA甲基化在吸烟者外周血的研究中，发现FUT7基因在COPD患者中，相对处于低甲基化状态。中性粒细胞炎症反应是COPD的一个突出特征，中性粒细胞黏附因子的异常表达在COPD患者中已经被观察到[34-35]。而FUT7基因编码的sialyl lewis X是E选择素的配体，研究证明E选择素在促进白细胞迁移到炎症组织中发挥重要作用，其在慢性支气管炎和气流阻塞的患者中表达增加[36]。FUT7的相对低甲基化状态可能改变了外周组织中sialyl lewis X表达，增加了其与E选择素的相互作用，从而帮助中性粒细胞迁移到肺组织中，加重COPD患者肺组织的炎症反应[37]。

2.5甲基转移酶的异常甲基化与COPD相关的异常甲基化还包括了DNMTs：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B的过度表达。研究认为DNMT1是哺乳动物中最丰富的甲基化转移酶，被认为是维持甲基化的关键酶，DNMT3A和DNMT3B则是主要的从头甲基化酶[38]。目前关于DNMTs与COPD相关性的报道较少，但Liu等[39]研究发现，正常小气道上皮细胞和支气管上皮细胞在吸烟冷凝物的慢性暴露中会导致DNMT1的表达减少和DNMT3B的表达增加，这一结果为COPD的发病机制提供了一定的线索。

3 结 语

DNA甲基化是表观遗传的重要组成方式，对许多基因的表达调控起重要作用。COPD的发病机制目前并不明确，已知的氧化应激、炎症反应、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、凋亡、细胞衰老等均对疾病的发生发展起重要作用。DNA甲基化介导的基因表达的改变，参与疾病发生的许多通路，穿插在各个重要的发病机制之中。是连接环境改变与遗传基础间的桥梁[40]。对DNA甲基化与COPD发病机制的相关性探究，有助于未来进一步阐明COPD的发病机制。